Technika vysokých napětí. Zdroje vysokých napětí

Transkript

1 Zdroje vysokých napětí

2 Napěťové namáhání (voltage stress) S nárůstem přenášeného elektrického výkonu (transmitted power) roste i hladina potřebného napětí (voltage level) V současné době je většina výkonu přenášena střídavými systémy (a.c. system) s jmenovitým napětím 400 kv (rated voltage) Zároveň roste i podíl HVDC (high-voltage direct current) systémů (stávají se ekonomicky atraktivními) s nejčastějšími jmenovitými napětími 800 kv Zdroje vysokých napětí 2

3 Napěťové namáhání (voltage stress) Provozní napětí (operating voltage) vážně nenamáhá izolační systém (insulation system), nicméně určuje jeho rozměry (dimensions) Napěťové namáhání nastává při různých přepětích (overvoltages), jejichž velikost může být závislá (spínací přepětí switching overvoltages) nebo nezávislá (atmosférická přepětí - lightning overvoltages) na jmenovitém napětí Při návrhu izolačního systému je důležité stanovit: Jakému napěťovému namáhání bude systém vystaven Jaká bude odezva systému (system response) při působení takového namáhání Zdroje vysokých napětí 3

4 Napěťové zkoušky Izolační systém musí být testován během vývoje (during its development) zařízení a před uvedením do provozu (before commissioning) Typy napěťových zkoušek Napěťová zkouška střídavým napětím síťové frekvence (power frequency voltage test) Napěťová zkouška atmosférickým impulzem (lightning impulse voltage test) Napěťová zkouška spínacím impulzem (switching impulse voltage test) Napěťová zkouška stejnosměrným napětím (d.c. voltage test) Volba testu a hodnota zkušebního napětí závisí na druhu zařízení a jeho jmenovitém napětí Zdroje vysokých napětí 4

5 Zkušebny vysokých napětí Základní vybavení: VN zdroj (HV generator) DC, AC, impulz Testovaný objekt (test object) má zpravidla kapacitní charakter, jeho parametry jsou důležité především při použití rezonančního obvodu VN měřicí systém (HV measuring system) určování hodnoty napětí na testovaném objektu Často se ve zkušebnách nacházejí také systémy pro měření dielektrických parametrů (dielectric measurement) nebo částečných výbojů (partial discharge measurement) Zdroje vysokých napětí 5

6 Zkušebny vysokých napětí VN zdroje (power supply units) jsou běžně napájeny ze sítě (230/400 V), v případě on site (in situ) zkoušek je energie dodávána diesel generátorem V současné době se preferuje model ovládání laboratoře pomocí počítačů (computer control) Lze tak z jednoho místa předvolit zkušební metodu (včetně hodnot napětí), spustit a regulovat VN zdroj, odečíst data, vyhodnotit je a sepsat zkušební protokol (test record). Výstupy z měření pak lze pomocí LAN či Internetu zasílat zákazníkům a provádět tak např. vzdálenou obsluhu (remote service) Zdroje vysokých napětí 6

7 Zkušebny vysokých napětí Zdroje vysokých napětí 7

8 Zkušebny vysokých napětí Zdroje vysokých napětí 8

9 Zkušebny vysokých napětí VN generátor Testovaný objekt Dělič napětí Vazební kondenzátor Regulace zdroje Internet, LAN počítačové ovládání digitální záznam měření částečných výbojů Zdroje vysokých napětí 9

10 Zdroje stejnosměrného napětí Transformací ze střídavého napětí - usměrňovače (rectifiers) u(t) i t (t) i t (t) u t (t) C R z u z (t) u t (t) T i z (t) U max Náboj (charge) přenesený do zátěže Rz za periodu T: Q = න T i z t dt = 1 නu R z t dt = z T = I z T = I z f kde I z je střední hodnota proudu (mean value), dále platí že Q = න T Zdroje vysokých napětí 10 U min 2 U αt i t t dt = නi z t dt Exaktní řešení je složité. Předpokládáme, že =0 pak zvlnění (ripple) U lze vyjádřit ze vztahu Q = 2δUC δu = Q 2C = I z 2Cf T

11 Zdroje stejnosměrného napětí Napěťový násobič (Greinacher doubler) Zdroje vysokých napětí 11

12 Zdroje stejnosměrného napětí Napěťový násobič Cockcroft-Walton (voltage multiplier) C 1 C 3 D 1 D 2 D 3 D 4 D n-1 D n C 2 C 4 C n Zdroje vysokých napětí 12

13 Napěťový násobič Cockcroft-Walton Photograph by Mike Peel ( Zdroje vysokých napětí 13

14 Zdroje stejnosměrného napětí Elektrostatické generátory - Van de Graaffův generátor + VN U U motor + - Lze dosáhnout extrémně vysokých hodnot stejnosměrného napětí (až 8 MV) Velkého náboje na kulové elektrodě (sphere electrode) je dosaženo kontinuální akumulací náboje z pásu pomocí sběrače (from belt by collector) Náboj přechází z vyššího potenciálu (higher potential) U 1 do nižšího potenciálu (lower potential) U 2 Zdroje vysokých napětí 14

15 Van de Graaffův generátor Zdroj: Zdroj: Zdroje vysokých napětí 15

16 Zdroje střídavého napětí Zkušební zdroje jsou obvykle jednofázové (usually single phase) Tvar musí pokud možno odpovídat čisté sinusovce (pure sinusoidal) Poměr mezi vrcholovou a efektivní hodnotou (peak and rms value) napětí musí být 2 ± 5% Při testování vysokonapěťové izolace je zátěž (load) vždy kapacitního charakteru, výkon zdroje je pak stanoven jako P = ku n 2 ωc t kde k 1 je konstanta zohledňující ostatní kapacity zkušebního obvodu a C t je kapacita testovaného objektu Zdroje vysokých napětí 16

17 Zdroje střídavého napětí Zkušební transformátory (test transformers) S uzemněnou (kovovou) nádobou (metal-tank type) Možnost využití radiátorů pro lepší chlazení Úspora místa (na nádobě je nulový potenciál) Lze použít pro venkovní měření S izolační válcovou nádobou (cylinder type/in insulating tube) Není zapotřebí průchodka (bushing) Vhodné pro transformátorové kaskády Pouze pro měření uvnitř Zdroje vysokých napětí 17

18 Zkušební transformátory VN elektroda (HV electode) Průchodka (bushing) Vinutí vn (hv winding) Vinutí nn (lv winding) Jádro (core) Zdroje vysokých napětí 18

19 Zkušební transformátory Zkušební transformátor s uzemněnou nádobou a průchodkou Zkušební transformátor s izolovaným válcem Zdroj: Hauschild, H.; Lemke, E. High-Voltage Test and Measuring Techniques Zdroje vysokých napětí 19

20 Zdroje střídavého napětí Transformátorová kaskáda (test transformer cascade) I = P U Trf 2 P P Trf 1 2P 2P P 2U 3U 3P P U Zdroje vysokých napětí 20

21 Zdroje střídavého napětí Sériové rezonanční obvody (series resonant circuits) Vhodné pro on site testy objektů s vysokou kapacitou: kabelové systémy (cable runs), vypínací technika s plynnou izolací (gas insulated switchgear) Kabelové systémy na střední a vysoké napětí by například vyžadovaly zkušební transformátor o výkonu v řádu jednotek až stovek MVA, což je prakticky neproveditelné. V takovýchto případech je nutné použít sériové rezonanční obvody Tyto obvody mají dvojí různé provedení: S proměnnou indukčností (změna velikosti vzduchové mezery) S proměnnou frekvencí (frekvenční měnič) Zdroje vysokých napětí 21

22 Sériové rezonanční obvody VN reg. tlumivka. U z Kapacitní zátěž U b Regulační transf. Budící transf. L n Zdroj f 1 f 2 U b C t U z Frekvenční měnič Napájecí trf. Zdroje vysokých napětí 22

23 Sériové rezonanční obvody Skládají se z budícího transformátoru (exciter transformer) a v sérii zapojené reaktanční tlumivky (reactor) Dvě možnosti dosažení rezonance: Výběr vhodné indukčnosti (inductance) L R reaktoru pro zkoušený objekt s kapacitou C 2 tak, aby bylo dosaženo rezonance (tj. ω 0 = ω) Změna frekvence pomocí frekvenčního měniče tak, aby bylo dosaženo ω = ω 0 Obecně lze vyjádřit veličinu rezonanční poměr (resonance ratio) η jako: η = U 2 U E = መI 1 መI jωc R jωc S + jωl R 2 L R = መI R S U E U 2 1 jωc jωr S C 2 ω 2 = L R C 2 jωc 2 C jωr S C 2 ω 2 L R C 2 Při rezonanci pak platí: ω = ω 0 = 1 L R C 2 η = 1 ω 0 R S C 2 Zdroje vysokých napětí 23

24 Sériové rezonanční obvody s variabilní indukčností (ACRL) Indukčnost se mění s velikostí vzduchové mezery sériově zapojené tlumivky podle vztahu: L R = k μ 0 w 2 A a Kde k (-) je proporční faktor, μ 0 (H/m) je permeabilita vakua, w (-) je počet závitů (turns), A (m 2 ) je průřez jádra a a (m) je velikost vzduchové mezery. Při zvětšování vzduchové mezery (air gap) dochází k nárůstu ztrát a rozptylových magnetických toků (magnetic stray flux) -> indukčnost lze prakticky zmenšovat pouze do určité hodnoty L min. Zmenšováním vzduchové mezery lze dosáhnout nejvýše hodnoty indukčnosti L max. Obě tyto krajní meze lze definovat z rovnice: C max C min = L min L max a max a min Přičemž poměr a max /a min bývá zpravidla maximálně 20. Čím má obvod vyšší činitel jakosti Q, tím vyšší a užší je rezonanční špička a je tak nutné zajistit vyšší přesnost nastavování velikosti vzduchové mezery Zdroje vysokých napětí 24

25 Sériové rezonanční obvody s variabilní indukčností I max U n,1 Pracovní oblast 1. odbočky TRF U n,2 Pracovní oblast 2. odbočky TRF Zdroje vysokých napětí 25

26 Sériové rezonanční obvody s variabilní frekvencí (ACFR) Na primární vinutí excitačního transformátoru se připojí frekvenční měnič (frequency converter; diodový usměrňovač + IGBT střídač) Operační oblast obvodu je dána frekvenčním omezením měniče: C max C min = f max f min frekvence zároveň definuje maximální odběrový proud I max : I max = 2πf min C max U T = U T 2 C max L kde U T (V) je napětí na testovaném objektu. Často se stává, že teoretický maximální odběrový proud I max překročí maximální dovolenou hodnotu proudu I * max (danou maximálním oteplením). Proto je tedy nutné omezit operační oblast touto mezí. Výhodou tohoto typu obvodu je vyšší činitel jakosti a tím i menší potřebný výkon usměrňovače a tlumivky. Zdroje vysokých napětí 26

27 Sériové rezonanční obvody s variabilní frekvencí C * max C max U max Pracovní oblast Zdroje vysokých napětí 27

28 Zdroje impulzních napětí Jednostupňový rázový generátor (single-stage impulse generator) u 1 (t) u 2 (t) Pro první obvod lze psát rovnice: u 1 = u 2 R 1 C 1 u 1 C 1 u 1 = u 2 R 2 + C 2 u 2 Počáteční podmínky pro řešení Zapojení A Řešení: kde u 1 0 = U c u 2 0 = 0 u 2 = ku c e α 1t e α 2t u 1 (t) u 2 (t) k = C 1 R 2 C 1 R 1 + C 1 R 2 + C 2 R 2 2 4R 1 R 2 C 1 C 2 α 1, α 2 = C 1R 1 C 1 R 2 C 2 R 2 ± C 1 R 1 + C 1 R 2 + C 2 R 2 2 4R 1 R 2 C 1 C 2 2R 1 R 2 C 1 C 2 Zapojení B Zdroje vysokých napětí 28

29 Rázový generátor Vliv parametrů RG na tvar výsledného impulzu ir 2 hr 1 ic 1 hc 2 Zdroje vysokých napětí 29

30 Rázový generátor Účinnost RG (voltage efficiency) Účinnost rázového generátoru můžeme stanovit ze vztahu: η = U p U c < 1 kde U p je vrcholová hodnota (peak value) impulzu a U c je nabíjecí napětí (charging voltage) Pro vrcholovou hodnotu U p platí: U p = u 2 t max kde t max nalezneme z podmínky (condition) du 2 dt = 0 pak t max = Ln α 1 α2 α 2 α 1 a dosazením do výrazu pro u 2 a vztahu pro účinnost η = k α 1 α 2 α 1 α 2 α 1 α 1 α 2 α 2 α 2 α 1 Zdroje vysokých napětí 30

31 Vícestupňový rázový generátor SJ C i R f R t 3C L R c SJ R f C i R t R c SJ R f 3C L C i R t R c SJ R f SGSA Impulsní generátor Haefely Hipotronics R c Stejnosměrné napájecí napětí C i Zemnící rezistor a spínač R t 3C L C m >>C L Výstup pro měřicí zařízení Výstupní napětí U imp pro n-stupňový generátor s činitelem využití η a napájecím napětím U 0 : U imp = nηu 0 Zdroje vysokých napětí 31

32 Řízené spouštění impulzního generátoru (trigatron) Uzemněná hlavní elektroda Zapalovací elektroda Vysokonapěťová hlavní elektroda Připojení na generátor spouštěcích vn impulzů (< 10kV) Generátor vn impulzů Napěťový komparátor Řízené kulové jiskřiště pro useknutí výstupního impulzu Generátor vn impulzů Výstup z impulzního děliče napětí Hodnota nabíjecího napětí U ss Digitální rekorder Zdroje vysokých napětí 32

33 Rázový generátor Plný impulz (full impulse) Atmosférický (lightning impulse) T 1 = 1,2 s 30 %, T 2 = 50 s 20 %, Spínací impulz (switching impulse) T 1 = 250 s 20 %, T 2 = 2500 s 60 % Zdroje vysokých napětí 33

34 Rázový generátor Useknutý impulz (chopped impulse) Zdroje vysokých napětí 34